專利角度解讀防病毒口罩技術趨勢

安全防護用品是“十三五”期間國家重點扶持的產業，疫情當前，防病毒安全防護用品對于民眾健康護衛起著舉足輕重的作用。防病毒/抗病毒的口罩/面罩有哪些技術特點和創新點？3M這樣的知名企業是如何進行產品專利布局的？本文將從知識產權角度對防病毒口罩的技術進行分析，為口罩生產企業提供參考。

一、各類口罩防護效果及設計原理

在此次疫情防護病毒傳播中，能起到防護作用的是：醫用一次性口罩、醫用外科口罩、醫用防護口罩。這些口罩的規格都在相關標準中進行了規范，包括工業防護口罩，梳理情況詳見表1。

表1 防護口罩標準情況

各類口罩的防病毒安全防護能力為：醫用防護口罩＞醫用外科口罩＞一次性使用醫用口罩。按照標準劃分，口罩上標注的N代表采用的是美國標準，FFP是歐洲標準，KN是中國的標準，數字越大防護等級也越高。

以N95為例，N95口罩是NIOSH（美國國家職業安全衛生研究所，National Institute for Occupational Safety and Health）在1995年制定的9種標準之一。N95不是特定的產品名稱，只要符合N95標準，并且通過NIOSH審查的產品就可以稱為N95型口罩。“N”表示“不耐油(not resistant to oil)”，“ 95”表示對空氣動力學直徑≥0.3μm的顆粒的過濾效率達到95%以上，在表1中PFE≥95%就表示此含義。

圖1 醫用口罩技術結構

標準的醫用外科口罩分三層，外層有阻水作用，可防止飛沫進入口罩里面；中層有過濾作用，可阻隔病毒顆粒；近口鼻的內層用以吸濕。中層核心過濾層均由一種特殊的材料構成，這層材料稱為熔噴無紡布，或簡稱為熔噴布。熔噴布是一種以聚丙烯為材料，由許多縱橫交錯的纖維以隨機方向層疊而成的膜，纖維直徑范圍0.5～10微米。也就是說，只要口罩帶有質量較高、直徑較細的熔噴布，便很大程度上能夠有效將飛沫擋在這層之外，不滲入口罩內層接觸人體皮膚和口鼻。

N95級別的口罩在結構上做了優化：（中層）核心過濾層層數更多了，厚度更厚了；更有廠商（例如3M）通過靜電處理增強纖維過濾能力，防護性能要更好一些。

二、主要廠商防/抗病毒口罩專利

市場上，銷售N95口罩較多的是3M和霍尼韋爾（Honeywell）公司，其中，3M的型號有1860、1870、9132幾種。下面以3M為例，分析一下防病毒/抗病毒口罩的專利技術。

對3M創新有限公司的防病毒/抗病毒的口罩/面罩進行檢索，使用北京合享智慧科技有限公司INCOPAT全球專利數據庫，得到14組專利，其中，較為重要的核心專利有兩組，同族代表專利分別為CN104302473A（具有抗過敏作用的多層非織造織物）和US20040241216A1（具有抗菌活性的親水性聚丙烯纖維）。下面重點對專利CN104302473A相關技術進行剖析。

1.核心專利信息技術

專利CN104302473A：公開了多層非織造織物和制造方法，其包括具有竹纖維、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）型纖維和包含這些的射流噴網非織造織物的外層；具有熔噴非織造織物的中間層和具有熔噴非織造織物或熔噴射流噴網非織造織物的內層，如圖2所示。外層包含過敏原鈍化劑。三層非織造織物可以各種方法結合，包括粘合劑、熱或超聲接合劑。陰離子表面活性劑特別地適用于過敏原鈍化劑。中間層和內層的一種以上的織物材料選自聚丙烯、聚烯烴、聚酯和聚酰胺。

圖2 專利CN104302473A中多層無紡布的截面圖

其中，熔噴非織造織物包括具有網狀結構的三維纖維集合體，該集合體中直徑10μm或更小的細小纖維彼此結合。熔噴非織造織物為具有層合于篩網上的微纖維的高過濾功能的非織造織物。具有熔噴非織造織物的中間層具有過濾器或過濾介質的功能。為了增強該過濾器功能，中間層可以電暈放電、等離子體放電、利用帶電水泡的水放電或這些混合的方式額外地進行靜電處理。

技術效果：通過將射流噴網非織造織物置于表面層上和將熔噴非織造織物置于中間層上，多層非織造織物可作用為具有高功能性的過濾器。通過以最大外角層上所包含的過敏原鈍化劑防止病原體滲入內部，它可提供抗過敏、抗病毒和抗菌的作用。該抗過敏產品可用于面罩、過濾器、防毒面罩、空氣凈化器和空氣調節器。

從專利的信息和描述中可以看到，3M的這件高價值專利正是與現在常用醫用口罩三層結構相關材質相對應，主要通過使用熔噴非織造織物防病毒中間層和靜電處理技術，實現病毒防護作用的。

2.專利布局情況

通過考察3M創新有限公司專利CN104302473A相關技術專利布局情況，發現專利CN104302473A共有8件同族專利，將該技術在全球主要的地域進行了專利布局，包括美國、歐洲、中國、韓國、日本、中國臺灣，如圖3所示，同族專利信息詳見表2。

圖3 3M創新有限公司核心專利地域布局情況

從表2可知，3M創新有限公司最早將該技術以專利KR1020120140003A進行申請，申請時間在2011年6月20日，其它專利以此為優先權，申請時間為2012年6月19日，韓國和日本專利是通過WIPO申請進入國家階段。在INCOPAT數據庫中，顯示的中國、美國、韓國、歐專局專利申請的法律狀態均視為撤回，為失效專利，國內企業可參考運用。

表2 同族專利信息表

三、其他防/抗病毒口罩專利技術

通過對相關專利進行檢索并篩選，截止到2020年2月15日共有全球相關專利361組（合并同族），從申請時間來看，在2003年SARS之后幾年中國內防病毒/抗病毒的口罩/面罩相關專利出現一個申請高峰，下面對檢索得到的相關專利技術進行研究和分類。

圖4 抗病毒口罩相關專利技術

圖4顯示抗病毒口罩主要相關技術，包括抗病毒材質、在口罩中添加抗病毒物質、利用靜電或超聲技術殺病毒，以及抗病毒口罩的結構改進方面。

首先，在抗病毒口罩材質方面，有通過防病毒竹纖維和納米結構材料替代傳統口罩材質的技術改進，如專利WO2016099417A1；有利用納米銀材料實現抗病菌功能的，如專利CN110743281A和CN205964734U；還有使用銀離子殺菌材料，如將口罩內外層設有銀絲網實現抗病毒效果，詳見專利CN104041960A。

其次，有一大類專利是將抗病毒物質添加到口罩中，如通過在口罩中加入藥芯層或飼藥膜等實現抗病毒作用，添加的抗病毒物質有西藥也有中草藥。如專利RU2549065C2通過添加鉑碘化物、碘化鈀、碘化銀、碘化銅或硫氰酸銅至少一種細顆粒滅活病毒；專利CN205390400U口罩本體的內部設置有過濾殺毒芯，殺毒芯由過濾網、吸附層和殺毒層組成，殺毒層的表面粘附有殺菌顆粒，殺菌顆粒為盤尼西林顆粒；專利CN110742339A藥物內芯夾層上浸潤有連翹花提取物；專利CN109832691A將中間層浸泡中草藥金銀花、甘草、黃連、菊花等混合中藥蒸煮液。

再次，有些專利中用到靜電技術或金屬電網殺滅病毒，專利CN2748106Y通過在罩體中置電連接的金屬網，金屬網通電后，有約0.25I的交叉電流通過，同時，電網上還產生一定的電磁場，使得病毒幾乎無法通過；專利CN101352390A涉及一種靜電自吸過濾式防煙霧防病毒口眼罩。還有專利通過超聲技術抗病毒，如專利KR1020170002096A，使用能夠產生超聲波的超薄薄膜超聲沉積裝置附在面罩上，通過產生超聲波來預防和消滅病毒。

另外，抗病毒口罩專利還在結構方面有創新，諸如增加透氣性、解決換氣缺氧問題（如CN2695034Y），增加鼻貼設計增強舒適感（如DE102016124196A1），濾片易換設計（如CN207913039U、CN205390400U）等。

總體來說，安全防護用品之防病毒口罩/面罩三層設計運用是目前較主要的方式，其次防病毒口罩/面罩還在利用抗病毒材質，添加抗病毒中藥成分，利用靜電、電網、超聲的技術消滅和阻隔所吸附病毒方面均有創新。（紡織科學研究 張婷、張建綱等）